第四章-CPU原理与组成分析课件.ppt
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- 第四 CPU 原理 组成 分析 课件
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1、本章主要讨论:本章主要讨论:运算器运算器 控制器控制器数据通路结构数据通路结构与外部的连接与外部的连接指令的执行过程指令的执行过程CPUCPU组成组成CPUCPU工作原理工作原理 第一节第一节 运算器组织运算器组织 独立结构独立结构小型存储小型存储器结构器结构单口单口双口双口寄存器组寄存器组独立独立R R、双口、双口RAMRAM用用多路选择器多路选择器作为作为(Arithmetic Logic Unit Arithmetic Logic Unit)的输入逻辑,)的输入逻辑,单口单口RAMRAM用用锁存器锁存器作为作为ALUALU的输入逻辑。的输入逻辑。4.1.1 带多路选择器的运算器带多路选择
2、器的运算器移位器移位器ALU多路选择器多路选择器多路选择器多路选择器R0RnR0.Rn R0.Rn 内部总线(单向)内部总线(单向)特点:特点:R R各自独立;各自独立;可同时向可同时向ALUALU提供两个操作数;提供两个操作数;采用单向内总线。采用单向内总线。4.1.2 带输入锁存器的运算器带输入锁存器的运算器特点:特点:单口单口RAMRAM不能同时向不能同时向ALUALU提提供两个操作数;供两个操作数;用锁存器暂存操作数;用锁存器暂存操作数;采用双向内总线。采用双向内总线。移位器移位器ALU锁存器锁存器锁存器锁存器内部总线(双向)内部总线(双向)R0Rn通用寄存器组(小型存储器)通用寄存器
3、组(小型存储器)4.1.3 位片式运算器位片式运算器特点:特点:用双口用双口RAMRAM(两地址(两地址端、两数据端)作通端、两数据端)作通用寄存器组,可同时用寄存器组,可同时提供数据;提供数据;用多路选择器作输入用多路选择器作输入逻辑,不需暂存操作逻辑,不需暂存操作数;数;ALUALU增加乘、除功能,增加乘、除功能,用乘商寄存器存放乘用乘商寄存器存放乘数、乘积或商。数、乘积或商。例例.4.4位片运算器粗框位片运算器粗框移位器移位器ALU多路选择器多路选择器多路选择器多路选择器DO RAMDi B 地址地址 A 地址地址 CnDBDAG、P控制信息控制信息Cn+4乘商寄存器乘商寄存器44444
4、4444444第二节第二节 组合逻辑控制器原理组合逻辑控制器原理4.2 控制器组成控制器组成微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送MPSW(Program Status Word):程序状态寄存器/程序状态字IR(Instruction Register):指令寄存器PC(Program Counter):程序计数器微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.
5、PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器1.1.微命令发生器微命令发生器功能:功能:产生全机所需的各种微命令产生全机所需的各种微命令控制最基本的操作控制最基本的操作(微操作微操作)的命令的命令电位型电位型脉冲型脉冲型微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成PCPCD寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M2.2.指令计数器指令计数器PCPC功能功能:指示指令在指示指令在M中的位置。中的位置
6、。PC+1PC+1顺序执行:顺序执行:PCPC先先+1+1,再用转移地址修改,再用转移地址修改PCPC微命令微命令发生器发生器PCPC转移执行:转移执行:3.3.指令寄存器指令寄存器IRIR功能:功能:存放现行指令。存放现行指令。决定操作决定操作性质性质操作码字段操作码字段操作数地址操作数地址转移地址转移地址PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR地址码字段地址码字段译码器译码器微
7、命令发生器微命令发生器地址形成部件地址形成部件寻寻D4.4.状态寄存器状态寄存器PSWPSW功能:功能:指示程序运行方式,反映程序运行结果。指示程序运行方式,反映程序运行结果。例例.某机的某机的PSWPSWPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW工作方式工作方式 优先级优先级 T T N Z V CN Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 01
8、5 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0C=1 C=1 进位进位 V=1 V=1 溢出溢出Z=1 Z=1 结果为结果为0 0N=1 N=1 结果为负结果为负T=1T=1,执行跟踪程序执行跟踪程序(1 1)条件码)条件码反映程序运行结果反映程序运行结果工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0(2 2)跟踪标志)跟踪标志为程序查错设置的断点标志为程序查错设置的断点标志T T。程序初始化置T为1.测试T跟踪程序.程序优先级高于外部优先级,程序优先级高于外部优先
9、级,不响应不响应程序优先级低于外部优先级,可响应程序优先级低于外部优先级,可响应用户方式:禁止程序执行某些指令用户方式:禁止程序执行某些指令核心方式:允许程序执行所有指令核心方式:允许程序执行所有指令(3 3)优先级为现行程序赋予优先级别,以决定是否为现行程序赋予优先级别,以决定是否响应外部中断请求。响应外部中断请求。工作方式工作方式 优先级优先级 T N Z V CT N Z V C15 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 015 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 0(4 4)工作方式)工作方式规定程序的特权级。规定程序的特权级。PSWPSW在在CPUCPU中,中,反映程序
10、运行反映程序运行状态;控制状态;控制/状状态字在接口中态字在接口中,反映反映CPUCPU命令、命令、设备状态。设备状态。5.5.时序线路时序线路功能:功能:控制操作时间和操作时刻。控制操作时间和操作时刻。PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序振荡器振荡器分频器分频器时钟脉冲时钟脉冲工作脉冲工作脉冲时钟周期时钟周期(节拍节拍)产生电位产生电位型微命令,型微
11、命令,控制操作控制操作时间段时间段产生脉冲型产生脉冲型微命令,控微命令,控制定时操作制定时操作1.1.取指令取指令PCPCPCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序4.2.2 控制器工作过程控制器工作过程地址地址M M指令指令IRIR、译码、译码(、寻址方式、寻址方式)PC+1PC+1PCPC2.2.取数取数PCPC微命令微命令发生器发生器微命令序列微命令序
12、列I/OI/O状态状态控制台信息控制台信息运行状态运行状态译码译码.PSW PSW 时序时序 IR IR地址形成地址形成D寻寻来自来自M送送M或或ALU+1送送M微命令微命令发生器发生器PCPC IR IR PSW PSW 时序时序按寻址方式,或从寄存器取数,或从存储器按寻址方式,或从寄存器取数,或从存储器取数。取数。3.3.执行执行按操作码对数据进行运算处理。按操作码对数据进行运算处理。1.1.组合逻辑控制器的时序划分组合逻辑控制器的时序划分4.2.3 时序控制方式时序控制方式即时序信号与操作的关系即时序信号与操作的关系 采用三级时序系统:采用三级时序系统:指令周期指令周期工作周期工作周期1
13、 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期n n时钟周期时钟周期1 1时钟周期时钟周期2 2时钟周期时钟周期m m.工作脉冲工作脉冲1 1工作脉冲工作脉冲2 2工作脉冲工作脉冲k k.(节拍节拍1)1)(节拍节拍2)2)(节拍节拍m)m)时序关系:时序关系:晶振输出晶振输出工作周期工作周期1 1工作周期工作周期2 2工作周期工作周期3 3时钟时钟T1T1工作脉冲工作脉冲P P时钟时钟T2T2指令周期指令周期控制不同阶段操作时间控制不同阶段操作时间控制分步操作时间控制分步操作时间对微操作定时对微操作定时取指取指执行执行取数取数取出指令取出指令修改修改PC打入打入IR打入打入PC2.2.时序控制方
14、式及其变化时序控制方式及其变化(1 1)同步控制)同步控制各项操作受统一时序控制。各项操作受统一时序控制。定义:定义:特点:特点:有明显时序时间划分,有明显时序时间划分,优缺点:优缺点:时序关系简单,时序划分规整,时序关系简单,时序划分规整,控制不复杂;控制不复杂;时间安排不合理。时间安排不合理。应用场合:应用场合:用于用于CPUCPU内部、设备内部、系内部、设备内部、系统总线操作统总线操作 控制逻辑易于集中,便于管理。控制逻辑易于集中,便于管理。(各挂接部件速度相近,传送时间确各挂接部件速度相近,传送时间确定,传送距离较近定,传送距离较近)。时钟周期时时钟周期时间固定,间固定,各步操作的衔接
15、、各部件之间的数各步操作的衔接、各部件之间的数据传送受严格同步定时控制。据传送受严格同步定时控制。各项操作受统一时序控制。各项操作受统一时序控制。由由CPUCPU或其他设备提供或其他设备提供(2 2)异步控制)异步控制 各项操作按不同需要安排时间,不各项操作按不同需要安排时间,不受统一时序控制。受统一时序控制。定义:定义:特点:特点:无统一时钟周期划分,无统一时钟周期划分,例例.异步传送操作异步传送操作 主设备:主设备:申请并掌握总线权的设备。申请并掌握总线权的设备。各操作间的各操作间的衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答衔接和各部件之间的信息交换采用异步应答方式。方式。总线总线主主从从 从
16、设备:从设备:响应主设备请求的设备。响应主设备请求的设备。发发/接接接接/发发特点:特点:例例.异步传送操作异步传送操作主设备获得总线控制权主设备获得总线控制权 操作流程:操作流程:主设备询问从设备主设备询问从设备主设备发送主设备发送/接收数据接收数据主设备释放总线控制权主设备释放总线控制权 从设备准备好?从设备准备好?YN主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线连接主设备输出端与总线断开主设备输出端与总线断开主设备获得总线控制权主设备获得总线控制权 主设备询问从设备主设备询问从设备 从设备准备好?从设备准备好?时间安排紧凑、合理;时间安排紧凑、合理;控制复杂。控制复杂。优缺点:优缺点:应用场
17、合:应用场合:(3 3)同步方式的变化)同步方式的变化指令周期长度可变,时钟周期长度不变。指令周期长度可变,时钟周期长度不变。不同指令安排不同时钟周期数不同指令安排不同时钟周期数总线周期中插入延长周期总线周期中插入延长周期经总线传送一次数据所用的时间经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读送地址、读/写写)时间安排紧凑、合理;时间安排紧凑、合理;控制复杂。控制复杂。用于异步总线操作用于异步总线操作(各挂接部各挂接部件速度差异大,传送时间不确定,传送距离件速度差异大,传送时间不确定,传送距离较远较远)。指令周期长度可变,时钟周期长度不变。指令周期长度可变,时钟周期长度不变。时间安排紧凑、合理;时
18、间安排紧凑、合理;控制复杂。控制复杂。用于异步总线操作用于异步总线操作(各挂接部各挂接部件速度差异大,传送时间不确定,传送距离件速度差异大,传送时间不确定,传送距离较远较远)。经总线传送一次数据所用的时间经总线传送一次数据所用的时间(送地址、读送地址、读/写写)指令周期长度可变,时钟周期长度不变。指令周期长度可变,时钟周期长度不变。时间安排紧凑、合理;时间安排紧凑、合理;控制复杂。控制复杂。用于异步总线操作用于异步总线操作(各挂接部各挂接部件速度差异大,传送时间不确定,传送距离件速度差异大,传送时间不确定,传送距离较远较远)。总线周期长度可变,时钟周期长度不变。总线周期长度可变,时钟周期长度不
19、变。总线周期总线周期(4T)例例.一个总线周期包含一个总线周期包含4 4个时钟周期个时钟周期时钟时钟T1T3T2T4送地址送地址读读/写数据写数据 结束结束同步方式同步方式时钟时钟T1T3T2T4T4T4Tw送地址送地址读读/写数据写数据 结束结束总线周期总线周期(5T)扩展同步方式扩展同步方式时钟时钟T1T3T2T4时钟时钟T1T3T2T4同步方式引入异步应答同步方式引入异步应答以固定时钟周期作为时序基础,引入应答思以固定时钟周期作为时序基础,引入应答思想。想。例例.8088.8088最大模式,用一根总线请求最大模式,用一根总线请求/应答线应答线实现总线权的转移。实现总线权的转移。设备请求设
20、备请求总线权总线权RQ/GTRQ/GTCPUCPU使用使用总线总线CPUCPU使用使用总线总线CPUCPU使用使用总线总线设备使用设备使用总线总线设备设备设备设备CPUCPUCPUCPU响应,响应,总线权交设备总线权交设备CPUCPU设备释放设备释放总线权总线权CPUCPU设备设备若干时钟若干时钟若干时钟若干时钟设备设备RQ/GTRQ/GTRQ/GTRQ/GT1.1.组合逻辑控制方式组合逻辑控制方式4.3.4 组合逻辑控制方式的优缺点及应用组合逻辑控制方式的优缺点及应用综合化简产生微命令的条件,形成逻辑式,综合化简产生微命令的条件,形成逻辑式,用组合逻辑电路实现;用组合逻辑电路实现;执行指令时
21、,由组合逻辑电路执行指令时,由组合逻辑电路(微命令发生微命令发生器器)在相应时间发出所需微命令,控制有关在相应时间发出所需微命令,控制有关操作。操作。产生微命令的速度较快。产生微命令的速度较快。2.2.优缺点优缺点 设计不规整,设计效率较低;设计不规整,设计效率较低;不易修改、扩展指令系统功能。不易修改、扩展指令系统功能。3.3.应用场合应用场合 用于高速计算机,或小规模计算机。用于高速计算机,或小规模计算机。设计不规整,设计效率较低;设计不规整,设计效率较低;不易修改、扩展指令系统功能。不易修改、扩展指令系统功能。第四节第四节 微程序控制器原理微程序控制器原理4.4.1 微程序控制的基本思想
22、微程序控制的基本思想1.若干微命令编制成一条微指令,控制实现若干微命令编制成一条微指令,控制实现一步操作;一步操作;2.若干微指令组成一段微程序,解释执行一若干微指令组成一段微程序,解释执行一条机器指令;条机器指令;3.微程序事先存放在控制存储器中,执行机微程序事先存放在控制存储器中,执行机器指令时再取出。器指令时再取出。1.若干微命令编制成若干微命令编制成一条微指令一条微指令,控制实现,控制实现一步操作一步操作;2.若干微指令组成若干微指令组成一段微程序一段微程序,解释执行,解释执行一一条机器指令条机器指令;3.4.2 组成原理组成原理1.1.主要部件主要部件(1 1)控制存储器)控制存储器
23、CMCM功能:功能:微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放微程序存放微程序。CMCM属于属于CPUCPU,不属于主存储器。,不属于主存储器。(2 2)微指令寄存器)微指令寄存器 IR功能:功能:微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR存放现行微指令存放现行微指令。微命令字段:微命令字段:提供一步操作所需的微命
24、令。提供一步操作所需的微命令。微地址字段:微地址字段:指明后续微地址的形成方式。指明后续微地址的形成方式。提供微地址的给定部分。提供微地址的给定部分。(微操作控制字段微操作控制字段)(顺序控制字段顺序控制字段)(3 3)微地址形成电路)微地址形成电路功能:功能:微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR提供两类微地址提供两类微地址。微程序入口地址:微程序入口地址:由机器指令由机器指令操作码操作码形成。形成。后续微地址:后续微地址:由由微地址字段微地址字段、
25、现行微地现行微地址址、运行状态运行状态等形成。等形成。2.2.工作过程工作过程(1 1)取机器指令)取机器指令CMCM取指取指微指令微指令IRIR微命令字段微命令字段译码器译码器微命令微命令主存主存机器指令机器指令IRIR 微地址微地址形成电路形成电路 IR PSW PC微地址寄存器微地址寄存器 AR控制存储器控制存储器CM 译码器译码器微命令序列微命令序列微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段IR 取指微指令取指微指令控制存储器控制存储器 取指微指令取指微指令微命令字段微命令字段 微地址字段微地址字段 译码器译码器微命令序列微命令序列控制存储器控制存储器微命令字段微命令字段 微地址字段微
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